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9 月主題介紹-光遺傳學 Optogenetics 月初介紹文

光遺傳學 (Optogenetics) 是使用光來調節細胞中的特定的分子活動或進而影響生物行為。在光遺傳學這項技術尚未被提出之前,只能透過電極來抑制或活化神經的活動。然而,以腦部複雜的神經細胞活動為例,無法透過電極去控制個別神經元的活動。若能夠活化或抑制單一神經元,就能清楚知道該神經元扮演什麼角色,這對於神經科學的研究或未來應用到治療神經相關疾病上有很重要的意義。光遺傳學的出現,使得我們能對具有光敏感性的細胞進行更精確的控制,本月就跟隨我們一探究竟吧!

今年有四位光遺傳學 (Optogenetics) 領域的科學家獲得了 Warren Alpert Foundation Prize,分別是 Edward Boyden、Karl Deisseroth 、Peter Hegeman  和 Gero Miesenböck [1]。光遺傳學這個技術的出現,首先提到獲獎者中的 Edward Boyden 與 Karl Deisseroth 這兩位科學家。一開始他們想了許多方法,例如在特定神經細胞表現受張力調控的離子通道蛋白 (stretch-sensitive ion channels),或是將磁珠附著在離子通道蛋白上,利用磁場去調控通道蛋白的開關,最後他們對受光調控通道蛋白產生了興趣 [2] ,因而建立現代光遺傳學領域的新技術。另外獲獎者中的 Peter Hegeman 是與  Karl Deisseroth 一起發現重要的光敏通道蛋白的結構和功能 [3] 。而 Gero Miesenböck 是首次發表利用光遺傳學控制神經活動和動物行為以及證明光遺傳學用於神經生物學研究 [4, 5]。

 光敏通道蛋白能受到特定波長的光調控來開關離子通道。過去就已經有許多人發現各種可受光調控的通道蛋白,像是視紫蛋白 (opsin)、菌紫質 (bacteriorhodopsin) 、嗜鹽視紫質 (halorhodopsin, HR) 和通道視紫質 (channelrhodopsin, ChR) 等。2005 年 Edward Boyden 和 Karl Deisseroth 兩人發表的研究結果中 [6],就利用到從綠藻得到的光敏通道蛋白 Channelrhodopsin-2 (ChR2)。ChR2 可以受藍光調控,並安全且穩定地表現在哺乳動物的神經細胞中,他們證明了 ChR2 可以調控神經活動,提供給神經學家新的研究工具。

隨著光遺傳學技術的出現,我們發現許多以不同波長的光調控、不同的離子選擇性以及時間解析率 (temporal resolution) 的光敏蛋白,這提供我們能夠更廣泛地去探討神經科學,包括結合分子轉殖基因技術表達在調控老鼠、斑馬魚與蒼蠅的行為中 [7] 。本月將為大家帶來近期發現的改造視紫質將成為光遺傳學的新工具,還有光遺傳學在神經科學領域上的最新研究發展,以及光遺傳學應用於除了神經科學外的研究發展。

圖片來源:McGovern Institute for Brain Research at MIT 圖片說明:表達具有光敏蛋白的神經細胞被光束激活概念圖。

參考文獻:

  1. 2019 Warren Alpert Prize Recipients Announced. Retrieved from https://warrenalpert.org/news/2019-warren-alpert-prize-recipients-announced
  2. Boyden, E. (2011). A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light. F1000 Biology Reports, 3. doi:10.3410/b3-11
  3. Deisseroth, K., & Hegemann, P. (2017). The form and function of channelrhodopsin. Science, 357(6356), eaan5544. doi:10.1126/science.aan5544
  4. Zemelman, B. V., Lee, G. A., Ng, M., & Miesenböck, G. (2002). Selective Photostimulation of Genetically ChARGed Neurons. Neuron, 33(1), 15-22. doi:10.1016/s0896-6273(01)00574-8
  5. Lima, S. Q., & Miesenböck, G. (2005). Remote Control of Behavior through Genetically Targeted Photostimulation of Neurons. Cell, 121(1), 141-152. doi:10.1016/j.cell.2005.02.004
  6. Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., & Deisseroth, K. (2005). Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience, 8(9), 1263-1268. doi:10.1038/nn1525
  7. Fenno, L., Yizhar, O., & Deisseroth, K. (2011). The Development and Application of Optogenetics. Annual Review of Neuroscience, 34(1), 389-412. doi:10.1146/annurev-neuro-061010-113817

撰稿 | 林書岑
審稿 | 陳帝亢

About the author

林書岑

林書岑

現在正在台大生化科學所就讀碩士班,曾是2016年交大 iGEM 成員。希望藉由 investigator ,認識不同領域的人,拓展各種領域的知識。

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